MAKING MODERN LIVING POSSIBLE
Chytré spoření v automatizaci
Správný výběr komponent pohonů a snížení nákladů
Snížení nákladů – Úspora zdrojů – Ochrana životního prostředí
Ceny energií stoupají již mnoho let. S tímto trendem roste snaha o úspory energie v průmyslových aplikacích, obchodě i živnostenském podnikání. Uživatelé však mohou své provozní náklady udržet nebo dokonce snížit bez ohledu na narůstající ceny. Konstruktéři strojů a zařízení usilují o co nejmenší energetickou spotřebu svých zařízení, protože úspory energie se stávají výhodou v konkurenčním boji.
Kromě čistě komerčních důvodů je však také ze společenského hlediska potřeba s dostupnými zdroji zacházet co nejefektivněji a tím výrazně snížit emise CO2 (rozhodující jsou změny klimatu). Na energeticky efektivní provoz technických zařízení působí i politika. Tímto způsobem například Evropská unie ve směrnici „Energy using Products“ (EuP, 2005/32/EG a 2008/28/EG) definuje požadavky na šetrné chování k životnímu prostředí u výrobků, které
2
ke svému provozu potřebují energii. Uvedená směrnice mění „Integrovanou výrobkovou politiku (IPP – Integrierte Produktpolitik)“ Evropské unie, protože posuzuje celý cyklus života elektrických zařízení od jejich výroby až po likvidaci. Technika elektrických pohonů jako klíčová technologie Klíčovou technologií pro zvýšení energetické účinnosti je technika elektrických pohonů. V současné době představuje nejefektivnější řešení, jak
rychle a výrazně snížit spotřebu elektrické energie. Řízením rychlosti otáčení elektrických motorů kompresorů chladicích zařízení, klimatizačních systémů a mnoha dalších průmyslových pohonů je možné energeticky optimalizovat jejich provoz. Předpokládá se (ZVEI), že tímto způsobem lze v průmyslových systémech poháněných elektromotory ušetřit více než 15 % spotřeby elektrické energie. Současně je však potřeba dávat pozor na to, jaká opatření uživatel provádí a předem zvážit, zda změny nepovedou k omezení jeho požadavků.
Vždy platí: Ano, šetřit energii, ale ne za každou cenu.
Rychle, jednoduše a levně Cílem musí být dosažení výrazných úspor elektrické energie nejen u nových zařízení a strojů, ale i u zařízení stávajících. Provozovatelé a konstruktéři těchto strojů a zařízení zpravidla usilují především o rychlé, jednoduché a levné provedení odpovídajících opatření.
V mnoha aplikacích přináší použití měniče kmitočtu úsporu energie. V některých aplikacích se však použití měniče kmitočtu nevyplatí nebo může být dokonce nevýhodné. Odhady vycházejí z toho, že asi u 50 % všech elektrických pohonů má řízení otáček z hlediska hospodárnosti smysl.
Rozumné šetření Možnosti úspor energie lze nalézt téměř ve všech oblastech. Ať už se jedná o techniku budov, přepravních zařízení nebo o chemické procesy, vždy je nejdůležitější správně stanovit způsob úspory energie z hlediska provozně optimální změny. Velmi důležité je, aby uživatel nebo provozovatel při zavádění opatření uvážil, zda nedojde k omezení užitných vlastností zařízení.
Kromě způsobu použití závisí velikost úspor na dalších souvisejících nákladech, které je potřeba v souvislosti s měničem kmitočtu vzít v úvahu. Jedná se například o to, že vyšší cena zařízení se často díky jeho vyšší účinnosti v krátké době vyplatí a vrátí.
Pro dosažení úspor energie jsou mimořádně vhodné především ventilátory a čerpadla. Jednak patří k energeticky nejnáročnějším spotřebičům v průmyslu, jednak u rotačních čerpadel a ventilátorů spotřeba energie klesá se 3. mocninou otáček. Rychlým a jednoduchým řešením by bylo vybavit všechny ventilátory a čerpadla měničem kmitočtu a řídit jejich rychlost otáčení. Pro takové řešení hovoří i skutečnost, že z hlediska cenového vývoje se měniče kmitočtu stávají stále atraktivnějšími. Ale pozor: ne všechny ventilátory a čerpadla jsou pro řízení otáček vhodné. A ne vždy je cenově nejvýhodnější měnič kmitočtu jako optimální řešení z hlediska hospodárnosti.
Aby se zamezilo nehospodárným a nevýhodným opatřením, je vždy potřeba uvážit všechny technické, obchodní a logistické aspekty dané investice. Pokud jsou náklady a efektivita takové investice vyhovující, měl by se uživatel měniče kmitočtu rozhodovat ne podle nejvýhodnější ceny, ale měl by vyhledat nejvýhodnější nabídku z hlediska smysluplné hospodárnosti a atraktivity, která bude platit po celou dobu životnosti zařízení.
50% náklady na energii
Snížením otáček o 20 % lze u zařízení s čerpadly v ideálním případě snížit náklady na energii o 50 %.
Nasazení měničů kmitočtu odpovídá v současné době stavu techniky a je stále rozšířenější. Z celkového počtu asi 75 milionů motorů používaných v Evropě je již přibližně každý osmý vybaven řízením otáček.
3
Šetřit, ale ne za každou cenu
Soustředit se na hospodárná a smysluplná opatření
Soustředit se na hospodárná a smysluplná opatření Řízením otáček elektrických strojů lze dosáhnout úspor energie. Aby tato opatření přinesla očekávané výsledky, měli by uživatelé a projektanti zařízení vždy zvážit několik důležitých hledisek.
zda jsou provedená opatření účinná a zda bylo dosaženo požadovaných úspor.
Odhad možných úspor Bez ohledu na to, zda se jedná o nové nebo stávající zařízení nebo stroj, provozovatel by si měl nejprve zjistit skutečný stav systému. To znamená stanovit spotřebu energie, ujasnit si, pro které procesy je řízení otáček přípustné a provést analýzu, kde je možné dosáhnout skutečných úspor. Musí také zjistit jednotlivé synergie. To mu umožní lépe stanovit nejvhodnější řešení a zajistí pozdější ověření,
Regulace procesních veličin Procesy je možné efektivně optimalizovat regulací tlaku, průtoku, rychlosti atd. Pokud se dosud provádí pouze dvoustavová regulace, je potřeba porovnat její energetickou efektivnost s efektivností, kterou lze dosáhnout řízením otáček.
Stupeň účinnosti Nejjednodušší možností, jak uspořit energii, je začít používat komponenty s vyšší účinností.
Projektování systému Při projektování mnohých systémů se nebere ohled na jejich energetickou
ventilátory čerpadla
hospodárnost nebo na optimální dimenzování. Příkladem jsou potrubní vedení všech typů, u nichž je možné provést optimalizaci. Pomocné pohony Při projektování potrubních vedení, distribučních zařízení a při výběru ventilů je potřeba brát ohled na to, aby byl zpětný tlak co nejmenší. Tlak vzduchu Stlačený vzduch představuje jednoduchý, ale současně dražší způsob přenosu síly. Často je z energetického hlediska rozumnější raději použít přímý motorový servopohon. Obecně platí, že by provozovatel měl udržovat tlak stlačeného vzduchu na co nejnižší hodnotě. Snížením tlaku o pouhý 1 bar se ušetří přibližně 7-8 % energie. Drahé jsou také úniky vzduchu: otvor o průměru 1 mm zapříčiní, podle tlaku v systému, navýšení roční spotřeby energie o 1500 až 5000 kWh!
chladicí kompresory kompresory pro stlačený vzduch
ostatní aplikace: mísicí stroje, dopravníky,...
n Hlavní pohony n Pomocné pohony
4
Největší část energie spotřebovávají pomocné pohony. Zdroj: Franhofer ISI, Karlsruhe (EU-15)
Stanovení skutečné spotřeby energie Doba, během které se zjišťuje skutečná spotřeba energie, závisí na aplikaci. U definovaných technických procesů jsou spolehlivé údaje o spotřebě k dispozici většinou již po uplynutí několika úplných procesních cyklů. U aplikací závislých na klimatických podmínkách je vyhodnocení profilu spotřeby energie značně zdlouhavé. Příkladem může být množství vody přečerpávané odvodňovacím čerpadlem v přímé závislosti na velikosti dešťových srážek. Testování aplikací druhou mocninou zatěžovacího momentu Přizpůsobená strategie řízení zajistí energeticky optimální provoz. Do měničů kmitočtu Danfoss je osvědčené AOE řízení již vestavěno. V případě aplikací s druhou mocninou zatěžovacího momentu, ke kterým například patří čerpadla a ventilátory, musí uživatel vybrat ty aplikace, u nichž řízení přichází v úvahu. Kromě toho by si měl zjistit optimální účinnost hydrodynamických strojů a z ní stanovit optimální rozsah řízení. Na závěr je potřeba prověřit účinky na systém. Sledování pohonného řetězce Uživatel může dosáhnou maximálních úspor pouze na základě sledování celého pohonného řetězce. Musí proto prověřit, jak efektivně jsou motory využívány, které hnací části se používají a zda jsou optimalizovány délky kabelů. Dále je potřeba zjistit, zda jsou splněny všechny podmínky pro dosažení odolnosti proti elektromagnetickému rušení a zda není přetížena napájecí síť. Důležité je také stanovení ztrát a z nich vyplývající nezbytná klimatizace rozváděčů nebo míst s elektrickými zařízeními.
Automatická optimalizace energie Spuštění s velkým zrychlením
AEO řízení
Otáčky Automatická adaptace zátěže Napětí na motoru Proud motorem
Přizpůsobená strategie řízení zajistí energeticky optimální provoz. Do měničů kmitočtu Danfoss je osvědčené AOE řízení již vestavěno.
Odborníci pomáhají šetřit Uživatelé nesmí při analýze zapomenout na již používané měniče kmitočtu. Během doby se totiž mohly změnit rámcové podmínky zařízení, které dříve vedly k rozhodnutí měniče kmitočtu použít. Kromě toho analýza prokáže, zda vynaložené investice byly hospodárné.
na to, že kvalita technického řešení většinou roste s cenou. Protože v současné době je téměř nemožné, aby uživatel znal všechny technické detaily zařízení, je naprosto rozumné do rozhodování zapojit odborníky a společně s nimi vyjasnit všechny technické výhody a nevýhody.
Pokud chce uživatel chytře šetřit, musí vždy odhadnout, jaké výhody a nevýhody má konkrétní technické řešení. Kromě toho musí pamatovat
Znalosti jsou nezbytné. Pouze osoby s důkladnými odbornými znalostmi a znalostí zařízení mohou odhadnout výdaje na zavedení jednotlivých opatření šetřících energii a snížit zbytečné výdaje.
5
Motory – potenciál v úsporách a vývoj do budoucna
Již od roku 1998 jsou na evropském trhu dostupné energeticky efektivní střídavé trojfázové asynchronní motory. Jsou zařazeny do účinnostních tříd eff1 až eff3. Tato dobrovolná úmluva je nahrazena celosvětově platnou normou IEC 60034-30. Převodové motory Použití energeticky účinných elektromotorů k provozu hnacích ústrojí se dnes již stalo standardem. Uživatel si může vybrat od různých výrobců hnací motory různých účinnostních tříd. Účinnostní třída motoru se však týká pouze vlastního motoru, nevztahuje se na kombinaci převodového ústrojí a motoru.
Výkon Od 16.06.2011 Od 01.01.2015 Od 01.01.2017
6
Ve volbě převodového ústrojí se skrývá velký potenciál. Čelní ozubené převody a převody kuželovými koly vykazují zpravidla značně vyšší účinnost než šnekové převody. Pokud uživatel použije místo šnekových převodů kompaktní převody kuželovými koly, které jsou alternativou, musí zpočátku počítat s vysokými investičními náklady. Díky lepší účinnosti a nepatrnému stranovému opotřebení se však tyto náklady většinou v poměrně krátké době vrátí. Přímé převodové motory jsou předem určené pro provoz s měniči kmitočtu. Měnič kmitočtu jednak optimalizuje provoz motoru, jednak
MPES
Alternativa k MPES
0,75 – 375 kW
IE 2
–
0,75 – 7,5 kW
IE 2
–
7,5 – 375 kW
IE 3
IE 2 + měnič
0,75 – 375 kW
IE 3
IE 2 + měnič
uživatel může upustit od použití přestavovacích převodů. PM motory Motory s permanentními magnety jsou synchronní motory vykazující velmi dobrou účinnost. Ve srovnání s asynchronními motory podobné účinnosti (např. IE 3) jsou PM motory značně kompaktnější.
IEC 60034-30
Třídy eff
IE 1 (standardní účinnost)
srovnatelná s eff2
IE 2 (vysoká účinnost)
srovnatelná s eff1
IE 3 (premium)
asi o 10-15 % lepší než IE2
IE4 (super premium)
–
EU rozhodla v rámci realizace směrnice Ecodesign 2005/32/EC o zavedení minimálních účinnostních stupňů (MPES - Mindestwirkungsgraden) trojfázových asynchronních motorů. Směrnice platí od června 2009.
Řízení otáček: velký potenciál – rychlá návratnost
Uživatel musí při rozhodování vzít v úvahu nejen náklady na pořízení, přestavbu a energii, ale samozřejmě také otázky údržby a celkové koncepce náhrady motorů. Řízení otáček strojů přináší často energetický prospěch, který se přímo projevuje v menší spotřebě elektrické energie. Možnost řízení otáček je spojena s různými výhodami, mezi které patří:
Provozní hodiny za den
Úspora energie Velikost možných úspor závisí na průběhu točivého momentu zátěže. V případě konstantního točivého momentu je úspora přímo úměrná zmenšení momentu a otáček hřídele, při kvadratickém průběhu momentu úspory rostou s třetí mocninou snížení otáček.
Přizpůsobení cos φ Mnohé měniče kmitočtu upravují velikost cos φ na hodnotu blízkou 1 a omezují tak odběr induktivního jalového výkonu. Tím také klesají ztráty na kabelovém vedení. Optimalizace provozu při částečném zatížení U střídavých trojfázových motorů se účinnost obvykle uvádí pouze při jmenovitých podmínkách. Pokud však motor pracuje přímo v síti při částečném zatížení, značně se zhoršuje jeho účinnost z důvodu konstantních mechanických a elektromagnetických ztrát. Měnič kmitočtu se podle kvality řízení stále stará o optimální magnetizaci motoru. Účinnost se proto při částečném zatížení motoru výrazně nezhorší. Patrného zlepšení lze obvykle dosáhnout u motorů s výkonem větším než 11 kW.
funkce se spolehlivě osvědčuje při všech pomalých řízení, jako je tomu v případě čerpadel a ventilátorů. Zmenšení počtu spuštění Vlivem řízení otáček se v mnoha aplikacích zmenší počet spuštění. Každé neřízené spuštění elektromotoru vyžaduje přídavnou energii potřebnou pro rozběh elektromotoru a obnovuje zrychlení zátěže. U čerpadel se běžně musí počítat s energií potřebnou pro spouštění ve výši 5-10 % celkové spotřeby energie, ale existují i případy, kdy se na spouštění spotřebuje až 40 % celkové energie. Řízením otáček se také omezí proudové špičky a mechanické nárazy na zátěži při rozběhu. Další výhodou je možnost řízení otáček s ohledem na snížení mechanického zatížení zařízení a jeho částí, jakož i využití softwarových funkcí, které moderní měniče kmitočtu poskytují.
Automatická optimalizace energie V aplikacích, kde nedochází k rychlé změně zátěže, může uživatel využít automatickou optimalizaci energie (AEO). Měnič kmitočtu potom zmenší magnetizaci motoru na minimální hodnotu. Tím se ušetří energie. Tato
250
30 25 20
Provozní hodiny
Betriebsstunden za den Starts Spuštění
200
Spuštění
Klesající ceny používaných permanentních magnetů jsou příčinou oblíbenosti PM motorů i v aplikacích s méně náročnými dynamickými požadavky. Rozhodnutí, zda je efektivnější použít střídavé trojfázové asynchronní motory nebo PM motory, závisí na mnoha faktorech.
150
15 100
10
50
5 0
0 Kvartál 01
Kvartál 02
Kvartál 03
Kvartál 04
Kvartál 05
Praktický příklad: Zavedením pohonů s řízením otáček ve 4. kvartálu se značně zmenšil počet spuštění a tím se výrazně snížilo mechanické zatížení systému.
7
Aplikace s konstantním momentem
Mezi aplikace s konstantním momentem patří takové aplikace, ve kterých se zatížení příliš nemění s velikostí otáček. Jedná se například o běžící pásy, zvedací mechanizmy nebo míchací zařízení.
Pokud by se při konstantním zatížení zmenšily otáčky, mělo by to přímý vliv na úspory energie. Mnohdy není množství zboží převáženého běžícím pásem stále stejné. V případě, že by se rychlost běžícího pásu přizpůsobila množství zboží, dosáhlo by se nejen plynulého zpracování převáženého zboží, ale také úspor potřebné energie.
Jako příklad lze uvést blok motoru ležící na běžícím pásu. Je vždy stejně těžký bez ohledu na to, zda se pás pohybuje pomalu nebo rychle. Moment, kterým se blok motoru udržuje v pohybu, má stále stejnou velikost. Moment samozřejmě závisí také na provozních podmínkách, třecím momentu a momentu zrychlení, ale z hlediska pohybu zátěže zůstává konstantní. 75%
79% 80%
I když přizpůsobení rychlosti není možné nebo není žádoucí, přesto použití měničů kmitočtu přináší energetické úspory. Měniče řídí napětí motorů podle zatížení. Měnič kmitočtu například napájí motor pro napětí 400 V při chodu naprázdno a při kmitočtu 50 Hz napětím pouze 380 V. Pokud dojde ke zvýšení zatížení, měnič zvýší napětí motoru.
81%
Výkon potřebný pro provoz takového systému je přímo úměrný velikosti potřebného točivého momentu a otáček motoru.
50 % otáčky a 100 % moment Moment (Nm)
Moment (Nm)
100 % otáčky a 100 % moment
Pracovní bod
Kvalita takového řízení závisí na možnostech měniče kmitočtu. Energetické úspory, kterých lze tímto způsobem dosáhnout však samy nestačí k tomu, aby se investice vložená do měniče kmitočtu vyplatila.
50 % otáčky a 50 % moment Moment (Nm)
75%75% 79%79% 80%80% 81%81%
Pro řízení otáček dopravníkových systémů se dnes používají měniče kmitočtu velmi často. Optimalizují spotřebu energie s ohledem na množství přepravované zátěže a požadované otáčky.
Pracovní bod
Pracovní bod
Spotřeba energie Otáčky [min -1]
Spotřeba energie
Spotřeba energie Otáčky [min -1]
Otáčky [min -1]
Optimalizací točivého momentu a otáček je možné v mnoha aplikacích s konstantním točivým momentem dosáhnout zvýšení energetické účinnosti.
8
Aplikace s kvadratickým zatěžovacím momentem
Pokud jde o aplikace s kvadratickým zatěžovacím momentem, jedná se často o použití čerpadel a ventilátorů. V případě čerpadel je však potřeba rozlišovat: široce rozšířená rotační čerpadla vykazují kvadratický průběh momentu, zatímco excentrická, vakuová nebo objemová čerpadla vykazují konstantní průběh momentu.
Jednoduchým, ale vysoce efektivním způsobem úspory energie u průtočných strojů s kvadratickým zatěžovacím momentem je řízení otáček. Aby se však předešlo nepříjemným překvapením způsobeným řízením otáček čerpadel a ventilátorů, musí provozovatel dát v projekční fázi dobrý pozor na to, zda změnou otáček nedojde také ke změně pracovního bodu a tím k ovlivnění účinnosti stroje.
Rozsah použití čerpadel a ventilátorů je obrovský. V celé Evropské unii (15 členů) elektromotory spotřebovávají přibližně 70 % celkového proudu. Čerpadla a ventilátory na tom mají obrovský podíl ve výši 37 %. V oblasti obchodu, řemesel a služeb dosahuje tento podíl v rámci Evropské unie dokonce přibližně 40 %.
Energie potřebná při řízení škrticí klapkou Pracovní bod
Charakteristika zařízení
Energie potřebná při řízení otáček Tlak (bar)
Charakteristika zařízení
Tlak (bar)
Tlak (bar)
Při kaskádování čerpadel nese čerpadlo s řízením otáček základní zatížení. Jakmile potřeba naroste, měnič kmitočtu zapíná další čerpadla jedno po druhém. Čerpadla pracují pokud možno s optimální účinností. Řízení čerpadel se provádí vždy s ohledem na energeticky optimální využití systému. Stejný systém lze analogicky použít pro ventilátory. Příslušný kaskádový regulátor je podle výrobce a provedení buď součástí přístroje nebo se dodává jako externí jednotka.
Ze vzájemné součinnosti stroje a měniče kmitočtu vyplývá rozsah otáček, při kterých se uspoří energie. V tomto rozsahu by měl stroj převážně pracovat. Pokud je rozdíl mezi maximálním potřebným a průměrným částečným
Energie potřebná pro čerpadlo Charakteristika čerpadla
zatížením příliš velký, je rozumné provést kaskádování zařízení. Investice vynaložené na přestavbu stávajícího zařízení se mnohdy vrátí v krátké době.
Charakteristika čerpadla
Pracovní bod
Charakteristika zařízení
Pracovní bod
Charakteristika čerpadla Spotřeba energie
Spotřeba energie Průtok [Q]
Spotřeba energie Průtok [Q]
Průtok [Q]
Snížením otáček se s třetí mocninou zmenší potřebná energie. Investice vložené do měničů kmitočtu za účelem řízení otáček ventilátorů a rotačních čerpadel se v mnoha případech vrátí již dříve než za 2 roky.
9
Zvláštnosti u průtočných strojů
U většiny čerpadel nebo ventilátorů se používají šroubové klapky, škrticí klapky nebo trojcestné ventily, kterými se v aplikaci řídí tlak nebo objemový průtok. Jestliže se rotační čerpadlo řídí škrticí klapkou, posouvá se z důvodu škrcení pracovní bod stroje po křivce charakteristiky čerpadla. Energie potřebná pro čerpadlo se ve srovnání s jmenovitým pracovním bodem čerpadla zmenší pouze minimálně.
V níže uvedeném grafu jsou kromě charakteristiky čerpadla a zařízení znázorněny také meze účinnosti. Z grafu lze proto zjistit, že jak při řízení škrticí klapkou, tak při řízení otáček se pracovní bod dostává mimo oblast optimální účinnosti.
Jestliže se však čerpadlo řídí pomocí otáček, posouvá se pracovní bod po křivce charakteristiky zařízení. Energie potřebná pro čerpadlo se ve srovnání s řízením škrticí klapkou zmenšuje s třetí mocninou! Proto čerpadlo potřebuje například při polovičních otáčkách pouze osminu výkonu. Tato situace platí analogicky pro řízení ventilátorů a všech čerpadel s kvadratickým průběhem charakteristiky.
Přibližně při kmitočtu 32 Hz začínají přídavné ztráty čerpadla převládat nad úsporami. Ve sledovaném zařízení se proto nachází energeticky optimální kmitočet na hodnotě asi 38 Hz. Pokud by čerpadlo nebylo řízeno prostřednictvím otáček, byla by energetická bilance podstatně horší.
V praxi se ukazuje, že právě průtočné stroje nepracují vždy v optimálním pracovním bodu (nebo nemohou pracovat). Například klimatizační zařízení musí v létě podávat větší chladicí výkon než v zimě. Protože však systém musí být dimenzován na maximální potřebný výkon, je nucen po značnou dobu pracovat s částečným výkonem.
Z grafu specifické spotřeby energie (platí pouze pro jedno zvolené čerpadlo) je vidět důsledek změny účinnosti při řízení otáček.
Z uvedeného důvodu se někteří výrobci průtočných strojů rozhodli přepočítat výkon. Částečně své agregáty dimenzují tak, aby optimální účinnosti dosáhly asi při 70 % dodávaného množství.
Specifická spotřeba energie při řízení kmitočtu Řízení škrticí klapkou
79% 80%
0.12
81%
Charakteristika čerpadla
0.10
kWh/m3
Tlak (bar)
75%
Charakteristika zařízení
0.08 0.06 0.04 0.02 0 27.5
Pracovní bod Řízení otáček
Průtok [Q]
V grafu jsou kromě charakteristiky čerpadla a zařízení znázorněny také meze účinnosti. Jak při řízení škrticí klapkou, tak při řízení otáček se pracovní bod dostává mimo oblast optimální účinnosti.
10
30
32.5
35
37.5
40
42.5
45
47.5
50
55
Křivka znázorňuje spotřebu energie zvoleného čerpadla při řízení otáček. Přibližně při kmitočtu 32 Hz začínají přídavné ztráty čerpadla převládat nad úsporami. Ve sledovaném zařízení se proto nachází energeticky optimální kmitočet na hodnotě asi 38 Hz. Pokud by čerpadlo nebylo řízeno prostřednictvím otáček, byla by energetická bilance podstatně horší.
Jsou stejné účinnosti skutečně stejné? Důsledný rozbor šetří hotové peníze
Při porovnávání účinnosti různých zařízení nejsou na první pohled vidět žádné velké rozdíly. Ale je tomu skutečně tak? Vykazují dvě zařízení stejné ztráty, pokud mají stejné výkony a účinnosti?
normální přetížení (110 %) a vysoké přetížení (160 %). Kromě toho se při stanovování účinnosti posuzuje také jmenovitý proud, ale také provoz při částečném zatížení a tolerance měření.
Účinnost měničů kmitočtu se vypočítává poměrem vydaného a přiváděného výkonu. Údaje se obvykle uvádějí jako zaokrouhlená hodnota v procentech, tedy bez desetinných míst. V nejhorším případě se tedy může účinnost různých měničů se stejnou uváděnou hodnotou lišit až o 1 %.
Tyto údaje jsou zvláště důležité pro zjištění ztrátového výkonu. Do hry samozřejmě vstupuje i způsob provozu a jmenovitý proud. Protože však provozovatel a projektant zařízení vycházejí z těchto údajů při definování požadavků na klimatizaci rozváděče, lze je považovat za spolehlivé.
Aby mohl uživatel porovnat účinnosti různých měničů, musí vědět, za jakých podmínek je výrobce zjišťoval. U měničů kmitočtu se obvykle definuje
V následujícím grafu jsou porovnány ztrátové výkony dvou různých měničů kmitočtu. Údaje o účinnosti jsou pro většinu výkonů stejné.
Jak se parametry projeví z hlediska celkové životnosti přístroje? Můžeme vyjít z životnosti 60.000 hodin při motorickém provozu 90 %. V případě měničů s výkonem 75 kW, které jsou uvedeny v grafu, je potom celková ztráta 124.740 kWh a 66.528 kWh. Ačkoliv oba přístroje mají uváděnu stejnou účinnost, jeden z nich spotřebuje přibližně o 58.000 kWh více než druhý! Tato hodnota se při provozu s částečným zatížením snižuje. Tendence je však naprosto jednoznačná.
Porovnání ztrátového výkonu (Usítě = 400V) 2500
Ztrátový výkon
2000
1500
1000
500
0 1.1 1.5 2.2 3
4
n Měnič A (účinnost 98 %) n Měnič B (účinnost 98 %)
5.5
7.5
11
15
18.5
22
30
Typický výkon motoru [kW]
37
45
55
75
Přímé porovnání různých měničů kmitočtu je z důvodu různých rámcových údajů, jakými jsou jmenovité proudy a možnosti přetížení, velmi obtížné. Ztrátový výkon poskytuje lepší možnost porovnání.
11
Posouzení filtrů z hlediska účinnosti a efektivnosti Z principu funkce měničů kmitočtu vyplývá, že jsou zdrojem elektromagnetického rušení. Pro potlačení rušení je každý měnič vybaven EMC filtrem. Filtry mohou být vestavěny přímo do měniče nebo se k měničům připojují externě. Možná je i kombinace interních a externích filtrů. Dalšími prostředky jsou sinusové filtry nebo du/dt filtry na straně motoru. Měniče kmitočtu vytvářejí výstupní napětí požadovaného kmitočtu s vysokým taktovacím kmitočtem. Následkem toho výstupní napětí již nemá sinusový průběh. V závislosti na délce přívodních kabelů k motoru a na izolaci motoru může toto napětí poškodit izolaci. To může způsobit problémy především u starších motorů. Filtry zapojené na straně motoru omezují rychlost nárůstu napětí na izolaci motoru a amplitudu napěťových špiček, což chrání vinutí motoru před průrazem. Velkou výhodou měničů kmitočtu s externími filtry je příznivější cena. Měniče jsou výhodnější a často také kompaktnější než měniče s vestavěnými filtry. Nevýhodou je požadavek na další místo potřebné pro montáž filtrů. Kromě toho externí filtry zapříčiňují další ztráty. To platí jak pro EMC filtry, tak také pro sinusové filtry nebo
du/dt filtry zapojené na straně motoru. Tyto přídavné ztráty je potřeba vzít v úvahu i při projektování klimatizace v rozváděči. U měničů s vestavěnými filtry jsou ztráty ve filtrech již obvykle zahrnuté do udaného ztrátového výkonu. K tomu je potřeba přihlížet při porovnávání účinností dvou měničů kmitočtu, tedy zda oba měniče mají vestavěné filtry a zda filtry splňují stejné normy (to se týká EMC filtrů). Pokud ne, je potřeba u měniče bez fil-
tru počítat s horší celkovou účinností ovlivněnou měničem a filtrem, většími ztrátami a vyššími náklady na energii. Pokud provozovatel šetří na EMV filtrech, nepoužije je nebo použije filtry nevhodné, což platí i o důležitých filtrech na straně motoru, musí počítat s velkými náklady na dovybavení, dalšími ztrátami výkonu a s nutností klimatizace.
Ztrátový výkon měniče kmitočtu s výkonem 7,5 kW 700 W
Ztrátový výkon
600 W 500 W
655
400 W 300 W 200 W
255
217
264
100 W W n VLT® drive
12
n FU A - EMC C2/C3
n FU A – EMC C2/C1
n FU A – EMC C2/C1 (150 m)
Externí filtry zapříčiňují další ztráty. Proto je potřeba při projektování měničů kmitočtu zohlednit to, zda všechny potřebné filtry jsou již vestavěny v měniči.
Zpětné napájení a Active Front End (aktivní vstupní obvody) – mají malý význam Velmi lákavou se jeví myšlenka využívat energii generovanou při provozu stroje řízeného měničem kmitočtu. Tato energie vzniká tím, že řízený trojfázový asynchronní motor běží rychleji než napájecí síť, především při zpomalení motoru.
Provoz jako generátor [Hz]
Ve většině případů uživatel odvádí tuto energii do brzdných odporů, kde se energie přeměňuje na teplo. Nebylo by rozumné tuto energii vracet zpět do sítě nebo ji dát k dispozici jiným strojům?
Stejnosměrný meziobvod Mnohé měniče poskytují možnost vzájemně propojit své stejnosměrné meziobvody s meziobvody jiných měničů. Energii vygenerovanou v měniči lze potom tímto způsobem přímo poskytnout ostatním měničům. Zde je ovšem potřeba pamatovat na několik okrajových podmínek. Musí být například zajištěno, že v případě zkratu v jednom z měničů nedojde k poškození ostatních měničů. Uživatel musí pamatovat také na to, co se stane, když
Quick Menus
se bude energie generovat současně ve všech spojených měničích. Zpětné napájení Vstupní obvody měniče kmitočtu, které jsou schopné zajistit zpětné napájení, mohou prostřednictvím řízeného usměrňovače vracet generovanou energii zpět do sítě. Ve většině aplikací výrazně převažuje provozní režim motoru.
11 kW
Alarm log
Ca n
OK
Warn.
10.23 kW
Alarm
Hand on
Auto on
Off
Zastavení
Info
13.16 kW
Ext. Menu
k ac
l ce
B
Status
Spuštění
n Kmitočet hřídele motoru n Výstupní kmitočet měniče
V praxi se běžně používají dvě technická řešení:
On
[S]
Reset
VLT AutomationDrive
Mains
-DC
+DC
Brake
Motor
550 W
Quick Menus
Ext. Menu
1155 W
770 W
Info
OK
Warn.
10.23 kW
Alarm
Hand on
Off
Provozovatelé musí investice do propojení stejnosměrných meziobvodů a do systémů zpětného napájení důkladně posoudit. Podíl generované energie zpravidla přeceňují. Stanovení podílu generované energie v průběhu provozního cyklu a odhad průměrné brzdné energie systému jsou pro posouzení hospodárnosti provozu naprosto nezbytné. Ve většině případů je použití brzdných odporů hospodářsky i ekologicky rozumnější než využití energie generované při brzdění.
9,51 kW
Alarm log
Ca n
k ac
l ce
B
Status
On
7.73 kW
451 W
Energie získaná zpětným napájením je proto obvykle mnohem menší než přídavné ztráty, které vznikají v řízeném usměrňovači v provozním režimu motoru. Proto se zpětné napájení vyplatí obvykle jen při velkých výkonech, přičemž je ale potřeba posoudit zatěžovací cyklus a mnohé přídavné okrajové podmínky, jako je například časté brzdění.
Auto on
Reset
VLT AutomationDrive
Mains
-DC
+DC
Brake
Motor
476 W
312 W
999 W
716 W
Při úvahách, zda pohonný systém použít pro zpětné napájení do sítě, je potřeba pamatovat na to, že i při tomto řešení vznikají v systému ztráty. Energie, kterou by bylo možné vrátit zpět, bude i v nejméně pravděpodobném případě, že maximální mechanická energie je k dispozici na hřídeli, tímto značně omezena.
13
Optimalizace systému:
Posouzení celého systému a jeho možností
60% může být dosaženo
optimalizací celého systému
V pohonných systémech lze díky použití motorů s vysokou účinností dosáhnout úspor ve výši asi 10 %. Provoz s řízenými otáčkami může ušetřit asi 30 %. Největší potenciál úspor ve výši 60 % však závisí na optimalizaci celého systému. I v případě zavedení všech opatření musí provozovatel vždy posoudit chování celého systému. Musí vždy důkladně uvážit, zda různá opatření vedoucí k úspoře energie lze vzájemně kombinovat. K tomu patří rovněž
optimalizace potrubních vedení při přestavbě a využití softwarových funkcí začleněných do moderních měničů kmitočtu. V různých hospodářských odvětvích a v závislosti na nositelích energie jsou značně rozdílné možnosti úspory. Například v průmyslu je mnohem větší poptávka po procesním teple než v oblasti obchodu. Většinou platí, že tam, kde existuje největší spotřeba, tam jsou i největší možnosti úspor. Spotřeba elektrické energie v oblasti
Možnosti optimalizace
Motory
14
Řízení otáček
Optimalizace systému
průmyslu se pohybuje kolem 43 %, zatímco v sektoru obchodu, řemesel a služeb „pouze“ ve výši 23 %. Pro stanovení možností úspor v jednotlivých odvětvích jsou nezbytné znalosti zařízení a odborné vědomosti. Pouze na základě takových znalostí je možné správně odhadnout, která opatření jsou hospodárná a která mají smysl. Bez ohledu na to, zda se jedná o nové nebo stávající zařízení nebo stroj, provozovatel musí ještě před zavedením energeticky úsporných opatření pečlivě prověřit skutečný stav celého systému. To mu umožní lépe identifikovat jednotlivá možná řešení a později také ověřit, zda provedená opatření byla účinná a zda bylo dosaženo požadovaných úspor.
Pokud optimalizace systému není proveditelná, nasazení měničů kmitočtu pro řízení otáček představuje rychlý a efektivní způsob, jak ušetřit energii. Platí i pro dovybavení.
Snížení nákladů po dobu celého životního cyklu
Měniče kmitočtu odpovídají současnému stavu techniky a nacházejí stále širší uplatnění. Přesto: z důvodu zamezení nehospodárným a škodlivým opatřením je nutné před investičním rozhodnutím řádně prověřit všechny technické, obchodní a logistické aspekty. Podle nejnovějších průzkumů představují náklady na pořízení z hlediska celkových nákladů během celého životního cyklu pouze asi 10 procent. 90 procent všech nákladů připadá na provozní náklady, například na výdaje za energii, údržbu a servis. Kromě toho je potřeba uvážit náklady na klimatizaci, síťové tlumivky a filtry, které v žádném případě nejsou zanedbatelné. Známými postupy pro celkové posouzení všech nákladů jsou LCC (Life Cycle Costs = Náklady během životního cyklu) a TCO (Total Cost of Ownership = Celkové náklady za určité časové období). Tyto postupy zohledňují nejen pořizovací náklady, ale všechny další náklady, jako jsou například náklady na energie, opravy nebo údržbu. Může se tedy stát, že měnič s vyššími pořizovacími náklady bude v případě posuzování celého životního cyklu vycházet příznivěji než jiný, levnější měnič.
Do takového posuzování se může například promítnout i dostupnost konkrétního výrobku. Jestliže při provozu dojde k výpadku měniče kmitočtu, vzniknou ztráty vlivem zastavení výroby. Aby provozovatel předešel takové situaci, musí udržovat sklad s jedním nebo více náhradními měniči. Velikost skladu závisí mimo jiné na tom, jak rychle je výrobce schopen v případě potřeby dodat nové měniče. Nepatrné náklady na údržbu a zvýšená upotřebitelnost Moderní měniče kmitočtu poskytují také velké množství funkcí, při jejichž využití se ušetří externí komponenty a příslušná kabeláž. Současně z principu své funkce zajišťují šetrné spouštění motorů a šetří jednotlivé části zařízení, zvyšují jejich životnost a snižují náklady na údržbu a servis Rozsáhlé funkce pro ochranu motoru a zařízení poskytují vždy aktuální informace o stavu pohonu a celého systému. Chrání jednotlivé komponenty, mohou prodloužit intervaly údržby včasným upozorněním na opotřebení a tím zvyšují celkovou spolehlivost a životnost zařízení.
Cena
Jethro Macey
Měniče kmitočtu spoří hotové peníze nejen prostřednictvím energie
Pořizovací náklady
Náklady na energii Náklady na likvidaci Náklady na provoz a údržbu Time
Podíl pořizovacích nákladů z hlediska celého životního cyklu představuje pouze asi 10 % všech nákladů. Větší pořizovací náklady na zařízení, které šetří energii, se mohou mnohdy vrátit již během krátké doby.
90% nákladů
může být přiděleno na provozní náklady
15
Co znamená značka VLT® Firma Danfoss Drives je největší světový výrobce špičkových měničů kmitočtu – a její podíl na trhu se dále zvyšuje.
Chráníme životní prostředí Produkty VLT® jsou vyráběny s ohledem na ochranu životního i sociálního prostředí. Všechny výrobní činnosti jsou pečlivě plánovány a prováděny s ohledem na ochranu jednotlivých zaměstnanců firmy, pracovního i životního prostředí v okolí továrny. Výroba probíhá bez znečištění okolního prostředí kouřem, hlukem a dalšími nebezpečnými látkami a je zajištěna i bezpečná likvidace použitých produktů. Globální dohoda OSN o ochraně životního prostředí Firma Danfoss podepsala Globální dohodu OSN o ochraně životního a sociálního prostředí a naše firma jedná vždy zodpovědně vůči místním komunitám. Danfoss plní směrnice EU Všechny továrny Danfoss mají certifikát ISO 14001 a splňují Směrnici EU o bezpečném nakládání s odpady z elektrických a elektronických přístrojů (WEEE), Obecnou směrnici o bezpečnosti výrobků (GPSD) a Směrnici EU o strojírenských výrobcích. Firma Danfoss Drives postupně přestává používat olovo ve všech svých produktech a splňuje směrnici RoHS.
Oddanost zákazníkům Oddanost zákazníkům se stalo heslem firmy Danfoss od okamžiku, kdy jako první zahájila v roce 1968 masovou výrobu měničů kmitočtu pro střídavé motory s měnitelnou rychlostí pod značkou VLT®.
Spoléháme se na odborníky Ručíme za kvalitu všech součástí našich výrobků. Skutečnost, že vyvíjíme a vyrábíme svůj vlastní hardware, software, výkonové moduly, desky plošných spojů a volitelné doplňky, je zárukou spolehlivosti našich výrobků.
Na vývoji, výrobě a prodeji měničů kmitočtu a softstartérů a poskytování servisních služeb ve více než 100 zemích světa se podílí dva tisíce zaměstnanců Danfoss.
Globální servisní služby na místě Měniče kmitočtu VLT® se používají v aplikacích po celém světě a servisní experti Danfoss Drives ve více než 100 zemích světa jsou připraveni poskytnout našim zákazníkům aplikační podporu a servisní služby přímo na místě.
Inteligentní a inovativní řešení Vývojoví pracovníci firmy Danfoss Drives využívají novou modulární koncepci nejen při vývoji měničů, ale i při navrhování designu, výrobě a sestavování zákaznických konfigurací.
Odborníci firmy Danfoss Drive se nikdy nezastaví dříve, než vyřeší všechny problémy našich zákazníků.
Nové funkce jsou vyvíjeny na bázi existujících technologických platforem. To umožňuje souběžný vývoj více různých prvků a zároveň zkrácení doby potřebné pro uvedení inovací na trh a tím je zajištěno, že naši zákazníci mohou vždy využívat nejmodernější dostupné technologie.
Přínos produktů Danfoss Jednoroční výroba měničů kmitočtu VLT® ušetří energii odpovídající produkci jedné atomové elektrárny. Lepší kontrola provozu díky měničům kmito čtu Danfoss zároveň zlepšuje kvalitu vyráběných produktů, snižuje množství odpadů a prodlužuje životnost zařízení.
Česká republika: Danfoss s.r.o., V Parku 2316/12, 148 00 Praha 4 - Chodov, Tel: +420 283 014 111, Fax: +420 283 014 123 • www.danfoss.cz/vlt • E-mail:
[email protected]
DKDD.PB.68.G1.48
VLT® je ochranná známka společnosti Danfoss A/S
Vyrobeno DD-SMCC 2009.07
